一種三模態(tài)乳腺成像系統(tǒng)及其成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及乳腺成像技術(shù)，具體涉及一種包括光聲層析成像技術(shù)、超聲成像和X射線乳腺成像的三模態(tài)乳腺成像系統(tǒng)及其成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，全世界每年有120萬婦女患乳腺癌，50萬婦女死于乳腺癌，其發(fā)病率以每年2%?8%的速度遞增。目前每年大約有I億女性進(jìn)行乳腺篩查。超聲成像(Ultrasound)和X射線乳腺成像術(shù)(Mammography)現(xiàn)已被廣泛用于早期乳腺癌的篩查。超聲檢查雖然有無損無創(chuàng)、便攜的優(yōu)點(diǎn)，并且對(duì)實(shí)體瘤和囊性病變有很好的區(qū)分，但超聲檢查的靈敏性和特異性不足，對(duì)微小鈣化點(diǎn)成像不敏感，診斷結(jié)果嚴(yán)重受醫(yī)師個(gè)人經(jīng)驗(yàn)影響；基于X射線的乳腺成像(包括X射線攝片和數(shù)字化層析X射線)對(duì)微小鈣化點(diǎn)有很好的辨別能力，但成像技術(shù)有輻射危害，而且對(duì)致密型乳房成像對(duì)比度差。
[0003]光聲層析成像(Photoacoustic tomography, PAT)技術(shù)是利用組織吸收脈沖激光后發(fā)出超聲的效應(yīng)，通過探測(cè)超聲波，從而對(duì)組織內(nèi)光學(xué)吸收體成像的方法。由于近紅外光在組織體內(nèi)穿透深度高，PAT可以對(duì)深層組織進(jìn)行高對(duì)比度和高分辨率的無損傷成像。與單純超聲成像不同，組織對(duì)光子的吸收能力反映了組織的分子成分及其功能。例如，血氧飽和度的改變直接影響血液對(duì)光學(xué)的吸收，因此PAT可以測(cè)量體內(nèi)血氧飽和度，這是腫瘤良惡性的一個(gè)重要生理指標(biāo)。另一方面，腫瘤通常伴隨著血管增生，使得腫瘤部位的光學(xué)吸收高于正常乳腺組織，這也成為光聲層析成像的特異性信號(hào)源。目前光聲層析成像在臨床上仍未廣泛應(yīng)用，單獨(dú)使用不利于疾病確診分類。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明將光聲層析成像、X射線乳腺成像和超聲成像三個(gè)模態(tài)結(jié)合，形成一種三模態(tài)乳腺成像方法，并設(shè)計(jì)一臺(tái)乳腺成像設(shè)備，可以對(duì)乳腺組織的結(jié)構(gòu)、生理特征、病理特征、以及代謝功能進(jìn)行無創(chuàng)成像，特別適合于乳腺癌的早期檢測(cè)和治療效果的持續(xù)監(jiān)控。X射線乳腺成像包括X射線攝片和數(shù)字化層析X射線。
[0005]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種三模態(tài)乳腺成像系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的光聲層析成像與X射線乳腺成像模態(tài)間的轉(zhuǎn)換有兩種方式，可以通過將折光發(fā)散元件設(shè)置在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，即采用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的方式；也可以通過將X射線探測(cè)器和折光發(fā)散元件設(shè)置在轉(zhuǎn)換臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，即采用轉(zhuǎn)換臺(tái)的方式。
[0007]采用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的方式，本發(fā)明的三模態(tài)乳腺成像系統(tǒng)包括:機(jī)架、第一、第二和第三升降臺(tái)、壓板、透明板、X射線源、X射線探測(cè)器、超聲陣列、激光器、折光發(fā)散元件、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)；其中，第一、第二和第三升降臺(tái)分別固定在機(jī)架上，并且三者共軸；壓板、透明板和X射線探測(cè)器分別設(shè)置在第一、第二和第三升降臺(tái)上，分別沿升降臺(tái)的軸線可移動(dòng)，并且壓板的平面法線、透明板的平面法線和X射線探測(cè)器的平面法線均與軸線平行；待測(cè)組織放置在壓板和透明板之間并固定；沿軸線方向，在壓板的外側(cè)設(shè)置X射線源，在透明板的外側(cè)設(shè)置X射線探測(cè)器；在壓板上設(shè)置超聲陣列，超聲陣列在壓板的表面探測(cè)光聲和超聲；沿垂直于軸線方向，激光器安裝在機(jī)架外的一端，折光發(fā)散元件安裝在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上并且隨運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可移動(dòng)，位于機(jī)架外的另一端；在X射線乳腺成像模態(tài)下，折光發(fā)散元件移出透明板外的區(qū)域，X射線探測(cè)器移至透明板外側(cè)正對(duì)待測(cè)組織；在光聲層析成像模態(tài)下，X射線探測(cè)器下移，通過運(yùn)動(dòng)平臺(tái)將折光發(fā)散元件移動(dòng)至透明板外側(cè)正對(duì)待測(cè)組織，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過折光發(fā)散元件反射并發(fā)散，透過透明板照射到待測(cè)組織。
[0008]采用轉(zhuǎn)換臺(tái)的方式，本發(fā)明的三模態(tài)乳腺成像系統(tǒng)包括:機(jī)架、第一、第二和第三升降臺(tái)、壓板、透明板、X射線源、X射線探測(cè)器、超聲陣列、激光器、折光發(fā)散元件、轉(zhuǎn)換臺(tái)、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)；其中，第一、第二和第三升降臺(tái)分別固定在在機(jī)架上，并且三者共軸；壓板、透明板和轉(zhuǎn)換臺(tái)分別設(shè)置在第一、第二和第三升降臺(tái)上，沿升降臺(tái)的軸線可移動(dòng)，并且壓板的平面法線、透明板的平面法線和轉(zhuǎn)換臺(tái)的平面法線均與軸線平行；待測(cè)組織放置在壓板和透明板之間并固定；沿軸線方向，在壓板的外側(cè)設(shè)置X射線源，在透明板的外側(cè)設(shè)置轉(zhuǎn)換臺(tái)，折光發(fā)散元件和X射線探測(cè)器分別固定在轉(zhuǎn)換臺(tái)上；激光器安裝在機(jī)架外的一端；在壓板上設(shè)置超聲陣列，超聲陣列在壓板表面探測(cè)光聲和超聲；在乂射線乳腺成像模態(tài)下，轉(zhuǎn)換臺(tái)將X射線探測(cè)器設(shè)置在透明板外側(cè)正對(duì)待測(cè)組織；在光聲層析成像模態(tài)下，轉(zhuǎn)換臺(tái)將折光發(fā)散元件設(shè)置在透明板外側(cè)正對(duì)待測(cè)組織，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過折光發(fā)散元件后，通過透明板照射到待測(cè)組織。
[0009]待測(cè)組織為乳房組織。超聲耦合介質(zhì)為超聲凝膠、水等對(duì)超聲波衰減小，并且聲阻抗和水接近的材料。壓板可以是對(duì)超聲波有良好穿透性的材料，譬如硅膠、低密度聚乙烯，其厚度根據(jù)所使用超聲陣列的中心頻率決定，超聲陣列的中心頻率越高，壓板需要越薄；反之，超聲陣列的中心頻率越低，壓板厚度限制降低。透明板采用可以有效透過紅外光的材料，如亞克力、玻璃，在X射線乳腺成像模態(tài)下，透明板只提供一個(gè)恒定的背景信號(hào)，不對(duì)X射線乳腺成像模態(tài)產(chǎn)生影響。
[0010]激光器發(fā)出激光，激光可以通過光纖束導(dǎo)出，也可以由自由空間導(dǎo)出。激光經(jīng)過折光發(fā)散元件均勻地照射到待測(cè)組織的下表面，被待測(cè)組織內(nèi)的吸收體吸收后產(chǎn)生超聲波。激光器可以采用單色激光器或波長(zhǎng)可調(diào)激光器。當(dāng)采用波長(zhǎng)可調(diào)激光器時(shí)，在完成一個(gè)波長(zhǎng)的光聲層析成像后，更換激光波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)多光譜的激發(fā)，獲得待測(cè)組織的功能影像。折光發(fā)散元件可采用平面鏡或棱鏡、凹透鏡組。
[0011]超聲陣列采用線陣列，在成像過程中進(jìn)行掃描。
[0012]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種三模態(tài)乳腺成像方法。
[0013]采用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的方式，本發(fā)明的三模態(tài)乳腺成像方法，包括以下步驟:
[0014]I)將待測(cè)組織放置在壓板和透明板之間，并分別通過調(diào)整壓板和透明板沿第一和第二升降臺(tái)的軸線移動(dòng)，使待測(cè)組織固定在壓板和透明板之間，在待測(cè)組織和壓板上分別涂抹超聲耦合介質(zhì)，使得超聲陣列與待測(cè)組織之間充滿超聲耦合介質(zhì)而沒有空氣；
[0015]2)進(jìn)行成像，成像分為三種模態(tài):
[0016]a)X射線乳腺成像模態(tài):將折光發(fā)散元件移出透明板外側(cè)的區(qū)域，將X射線探測(cè)器上移至透明板外側(cè)正對(duì)待測(cè)組織，開啟X射線源，X射線經(jīng)過待測(cè)組織后，由X射線探測(cè)器接收，并將結(jié)果傳輸至計(jì)算機(jī)；
[0017]b)光聲層析成像模態(tài):將X射線探測(cè)器下移，通過運(yùn)動(dòng)平臺(tái)將折光發(fā)散元件移動(dòng)至透明板外側(cè)正對(duì)待測(cè)組織，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過折光發(fā)散元件反射并發(fā)散，通過透明板照射到待測(cè)組織，產(chǎn)生光聲信號(hào)，超聲陣列在沿壓板表面水平方向掃描接收光聲信號(hào)并傳輸至數(shù)據(jù)采集卡，由計(jì)算機(jī)后續(xù)處理；
[0018]c)超聲成像模態(tài):超聲陣列發(fā)出超聲，利用超聲回波探測(cè)位于壓板和透明板之間區(qū)域的超聲信號(hào)，超聲陣列將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并傳輸至數(shù)據(jù)采集卡，由計(jì)算機(jī)后續(xù)處理，超聲陣列沿壓板表面水平方向掃描全部待測(cè)組織，完成超聲成像模態(tài)；根據(jù)需要，選擇上述三種模態(tài)中的兩種或三種進(jìn)行排列組合，依次進(jìn)行成像；
[0019]3)對(duì)不同模態(tài)下的成像進(jìn)行分析，信息互補(bǔ)，圖像經(jīng)濾波、投影、融合后，準(zhǔn)確判定腫瘤位置及大小。
[0020]其中，在步驟3)中，X射線圖像經(jīng)過組織后，有腫瘤和無腫瘤區(qū)域?qū)射線的吸收量不同，經(jīng)濾波后投影圖上根據(jù)X射線劑量判定腫瘤位置；光聲層析成像利用腫瘤對(duì)激光波長(zhǎng)的特異性吸收，在腫瘤區(qū)域產(chǎn)生光聲信號(hào)，并根據(jù)光聲信號(hào)到達(dá)超聲陣列的時(shí)間進(jìn)行三維空間重構(gòu)，最終在掃描完成后得到待測(cè)組織的三維空間圖像；超聲成像利用超聲在不同組織界面的反射回波，對(duì)待測(cè)組織進(jìn)行成像；三種模態(tài)成像對(duì)比度來源不同，信息互補(bǔ)，圖像經(jīng)濾波、投影、融合后，準(zhǔn)確判定腫瘤位置及大小。
[0021]采用轉(zhuǎn)換臺(tái)的方式，本發(fā)明的三模態(tài)乳腺成像方法，包括以下步驟:
[0022]I)將待測(cè)組織放置在壓板和透明板之間，并分別通過調(diào)整壓板和透明板沿升降臺(tái)的軸線移動(dòng)，使待測(cè)組織固定在壓板和透明板之間，在待測(cè)組織和壓板上分別涂抹超聲耦合介質(zhì)，使得超聲陣列與待測(cè)組織之間充滿超聲耦合介質(zhì)而沒有空氣；
[0023]2)進(jìn)行成像，成像分為三種模態(tài):
[0024]a) X射線乳腺成像模態(tài):轉(zhuǎn)換臺(tái)沿第三升降臺(tái)的軸線提升，通過轉(zhuǎn)換臺(tái)將X射線探測(cè)器移至透明板外側(cè)正對(duì)待測(cè)